CN112611685A - 一种用于测试液体表面能及其分量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测试液体表面能及其分量的方法，属于表面物理化学技术领域。该方法基于杨氏方程通过测试液体与探针固体的接触角计算液体表面能及其分量，通过选择合适的探针固体并优化其计算公式，使得该方法操作简答，计算量小，且实验误差较小，能够广泛用于各类液体表面能及其分量的测试。

Description

一种用于测试液体表面能及其分量的方法
技术领域
本发明属于表面物理化学技术领域，具体涉及一种用于测试液体表面能及其分量的方法。
背景技术
物质在自然界中具有一定的表面，其表面的能量包括非极性的分量和极性的分量，其中 极性分量又可以分为酸分量和碱分量。表面能各分量之间满足以下的关系：
Figure BDA0002826009430000011
Figure BDA0002826009430000012
其中，γ为表面能，下标s代表了固体，下标l代表液体，γd为非极性分量，γab为极性分 量，γ+和γ-分别为酸分量和碱分量。
当固体和液体相互接触时，T.Young认为在非真空条件下整个界面体系会同时受到固体表 面能γs、液体表面能γl和固液界面能γsl，使得液体在固体表面呈现特定的接触角θ(见图1)， 它们之间的关系可用杨氏方程(式(3))来描述：
γl cosθ＝γs-γsl (3)
其中界面能γsl定义为：
Figure BDA0002826009430000013
将(1)、(2)和(4)代入式(3)得：
Figure BDA0002826009430000014
上述公式(5)说明，固体或者液体的表面能中有三个分量，想要测试出固体或者液体的 表面能分量，需要三个方程。
对于固体表面，可采用探针液体通过测试探针液体与待测固体的接触角，利用杨氏方程 计算出待测固体的表面能及其分量。常用的测试固体表面能的探针液体性质见表1。
表1常用探针液体的表面能
Figure BDA0002826009430000015
Figure BDA0002826009430000021
由于计算固体表面能的探针液体比较容易获得，所以利用接触角的方法测试固体材料的 表面能分量比较容易实现。而对于液体，因为充当探针固体的表面其表面能分量未知，若通 过直接测试三种固体表面的表面能分量，再根据这三种固体与待测液的接触角计算液体的表 面能分量，由于实验误差的累积，导致结果偏差较大。因此目前尚缺乏实验误差较小的液体 表面能及其分量的测试方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于测试液体表面能及其分量的方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种用于测试液体表面能及其分量的方法，所述方法如下：
1)测量待测液表面张力，由于待测液表面张力数值上与待测液表面能相等，构建公式(6)：
Figure BDA0002826009430000022
式中：γ待测液为待测液的表面能，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000023
为待测液表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000024
为待测液表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000025
为待测液表面能的碱分量，mJ/m2；
2)将表面能的非极性分量不为0，极性分量为0的探针固体标记为探针固体A，分别测 试探针固体A表面能的非极性分量和所述待测液与探针固体A的接触角，构建公式(7)：
Figure BDA0002826009430000026
式中：
Figure BDA0002826009430000027
为待测液表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000028
为待测液表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000029
为待测液表面能的碱分量，mJ/m2；
θ1为待测液与探针固A的接触角；
Figure BDA00028260094300000210
为探针固体A表面能的非极性分量，mJ/m2；
3)将表面能的非极性分量与极性分量均不为0的探针固体标记为探针固体B，分别测试 探针固体B表面能的非极性分量、酸分量、碱分量和所述待测液与探针固体B的接触角，构 建公式(8)：
Figure BDA0002826009430000031
式中：
Figure BDA0002826009430000032
为待测液表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000033
为待测液表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000034
为待测液表面能的碱分量，mJ/m2；
θ2为待测液与探针固体B的接触角；
Figure BDA0002826009430000035
为探针固体B表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000036
为探针固体B表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000037
为探针固体B表面能的碱分量，mJ/m2；
4)联立方程(6)、(7)和(8)，解该方程组，得出待测液表面能及其分量。
优选的，步骤1)中，通过吊环法或悬滴法测量待测液表面张力。
优选的，步骤2)中，所述探针固体A为石蜡、聚丙烯树脂或聚乙烯树脂中的一种。
优选的，步骤2)中，所述探针固体A表面能的非极性分量按如下方法测试：选择至少 一种已知表面能参数的检测液体通过公式(9)计算得出所述探针固体A表面能的非极性分 量；
Figure BDA0002826009430000038
式中：
Figure BDA0002826009430000039
为检测液体表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA00028260094300000310
为检测液体表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA00028260094300000311
为检测液体表面能的碱分量，mJ/m2；
θ3为检测液体与探针固体A的接触角；
Figure BDA00028260094300000312
为探针固体A表面能的非极性分量，mJ/m2。
优选的，步骤3)中，所述探针固体B为PVC树脂、PET树脂或玻璃中的一种。
优选的，步骤3)中，所述探针固体B表面能的非极性分量、酸分量、碱分量按如下方法测试：选择三种已知表面能参数的检测液体通过公式(10)计算得出所述探针固体B表面能的非极性分量、酸分量、碱分量；
Figure BDA0002826009430000041
式中：
Figure BDA0002826009430000042
为检测液体表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000043
为检测液体表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000044
为检测液体表面能的碱分量，mJ/m2；
θ4为检测液体与探针固体B的接触角；
Figure BDA0002826009430000045
为探针固体B表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000046
为探针固体B表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000047
为探针固体B表面能的碱分量，mJ/m2。
优选的，所述已知表面能参数的检测液体为1-溴代萘、二碘甲烷、乙二醇、甲酰胺或去 离子水。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种用于测试液体表面能及其分量的方法，该方 法基于杨氏方程通过测试液体与探针固体的接触角计算液体表面能及其分量，通过选择合适 的探针固体并优化其计算公式，使得该方法操作简答，计算量小，且实验误差较小，能够广 泛用于各类液体表面能及其分量的测试。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某 种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发 明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详 细描述，其中：
图1为液体在固体表面呈现特定的接触角θ示意图；
图2为二碘甲烷与探针固体A(石蜡)的接触角图；
图3为二碘甲烷与探针固体B(玻璃)的接触角图；
图4为乙二醇与探针固体A(石蜡)的接触角图；
图5为乙二醇与探针固体B(玻璃)的接触角图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。
以下实施例中以石蜡作为探针固体A，玻璃为探针固体B，使用前，分别进行如下处理：
探针固体A：将石蜡块熔融，在玻璃板上滴取直径约为1cm的石蜡液滴，冷却后利用磨 抛机依次用500目、1000目、3000目和5000目的砂纸打磨，将打磨好的石蜡片用去离子水超声清洗2min后，在20℃的干燥器中冷却2h，备用；
探针固体B：选取1片新的载玻片，用去离子水超声清洗2min后，在20℃的干燥器中冷却2h，备用。
分别测试去离子水、1-溴代萘与探针固体A表面的接触角，并通过公式(9)计算探针固 体A表面能的非极性分量，结果见表2。
Figure BDA0002826009430000051
式中：
Figure BDA0002826009430000052
为去离子水或1-溴代萘表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000053
为去离子水或1-溴代萘表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000054
为去离子水或1-溴代萘表面能的碱分量，mJ/m2；
θ3为去离子水或1-溴代萘与探针固体A的接触角；
Figure BDA0002826009430000055
为探针固体A表面能的非极性分量，mJ/m2。
分别测试去离子水、1-溴代萘和甲酰胺与探针固体B表面的接触角，并通过公式(10) 计算探针固体B表面能的非极性分量、酸分量、碱分量，结果见表2。
Figure BDA0002826009430000056
式中：
Figure BDA0002826009430000057
为去离子水、1-溴代萘或甲酰胺表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000058
为去离子水、1-溴代萘或甲酰胺表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000059
为去离子水、1-溴代萘或甲酰胺表面能的碱分量，mJ/m2；
θ4为去离子水、1-溴代萘或甲酰胺与探针固体B的接触角；
Figure BDA00028260094300000510
为探针固体B表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA00028260094300000511
为探针固体B表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000061
为探针固体B表面能的碱分量，mJ/m2。
表2
Figure BDA0002826009430000062
实施例1
测试二碘甲烷的表面能及其分量
1)利用吊环法测量二碘甲烷表面张力带入公式(6)中：
Figure BDA0002826009430000063
式中：γ待测液为二碘甲烷的表面能，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000064
为二碘甲烷表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000065
为二碘甲烷表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000066
为二碘甲烷表面能的碱分量，mJ/m2；
2)测试二碘甲烷与探针固体A的接触角(见图2)，将该接触角和上述测得的探针固体 A表面能的非极性分量带入公式(7)中：
Figure BDA0002826009430000067
式中：
Figure BDA0002826009430000068
为二碘甲烷表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000069
为二碘甲烷表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA00028260094300000610
为二碘甲烷表面能的碱分量，mJ/m2；
θ1为二碘甲烷与探针固A的接触角；
Figure BDA00028260094300000611
为探针固体A表面能的非极性分量，mJ/m2；
3)测试二碘甲烷与探针固体B的接触角(见图3)，将该接触角和上述测得的探针固体 B表面能的非极性分量、酸分量、碱分量带入公式(8)中；
Figure BDA00028260094300000612
式中：
Figure BDA00028260094300000613
为二碘甲烷表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000071
为二碘甲烷表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000072
为二碘甲烷表面能的碱分量，mJ/m2；
θ2为二碘甲烷与探针固体B的接触角；
Figure BDA0002826009430000073
为探针固体B表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000074
为探针固体B表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000075
为探针固体B表面能的碱分量，mJ/m2；
4)联立方程(6)、(7)和(8)，解该方程组，得出二碘甲烷表面能及其分量，结果见表3。
表3二碘甲烷表面能及分量测试结果及与理论值的比较
Figure BDA0002826009430000076
由表3可知，测试出的二碘甲烷表面能的非极性分量为51.2mJ/m2，比理论值的50.8mJ/m2大了1.2mJ/m2，偏差为2.4％。在计算极性分量时，极性分量的绝对偏差均小于1.1mJ/m2，绝 对偏差较小；对于总的表面能，测试结果比理论值大1mJ/m2，测试误差为2％。在实施例中， 由于测试结果与理论值的绝对偏差小于1.2mJ/m2，相对偏差小于2.4％，测试结果偏差较小， 认为测试结果有效。
实施例2
测试乙二醇的表面能及其分量
1)利用吊环法测量乙二醇表面张力带入公式(6)中：
Figure BDA0002826009430000077
式中：γ待测液为乙二醇的表面能，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000078
为乙二醇表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000079
为乙二醇表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA00028260094300000710
为乙二醇表面能的碱分量，mJ/m2；
2)测试乙二醇与探针固体A的接触角(见图4)，将该接触角和上述测得的探针固体A 表面能的非极性分量带入公式(7)中：
Figure BDA0002826009430000081
式中：
Figure BDA0002826009430000082
为乙二醇表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000083
为乙二醇表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000084
为乙二醇表面能的碱分量，mJ/m2；
θ1为乙二醇与探针固A的接触角；
Figure BDA0002826009430000085
为探针固体A表面能的非极性分量，mJ/m2；
3)测试乙二醇与探针固体B的接触角(见图5)，将该接触角和上述测得的探针固体B 表面能的非极性分量、酸分量、碱分量带入公式(8)中；
Figure BDA0002826009430000086
式中：
Figure BDA0002826009430000087
为乙二醇表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000088
为乙二醇表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA0002826009430000089
为乙二醇表面能的碱分量，mJ/m2；
θ2为乙二醇与探针固体B的接触角；
Figure BDA00028260094300000810
为探针固体B表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure BDA00028260094300000811
为探针固体B表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure BDA00028260094300000812
为探针固体B表面能的碱分量，mJ/m2；
4)联立方程(6)、(7)和(8)，解该方程组，得出乙二醇表面能及其分量，结果见表4。
表4乙二醇表面能及分量测试结果及与理论值的比较
Figure BDA00028260094300000813
由表4可知，测试出的乙二醇表面能量非极性分量比理论值小0.3mJ/m2，相对小了0.7％。 对于酸分量，测试结果比理论值大0.9mJ/m2，虽然相对偏差为48％，但由于表面能的绝对偏 差较小，因为认为酸分量的测试结果基本有效。对于碱分量，测试结果比理论值低6.3mJ/m2， 相对偏差为13％。对于总表面能，测试结果比理论结果高2.2mJ/m2，相对偏差为4.6％。基于 以上分析，在实施例中，测试出的乙二醇表面能及其分量与理论值虽然有一定的偏差，但是 偏差较小，因此认为该测试结果有效。
综上所述，本发明提出的基于杨氏方程通过测试液体与探针固体的接触角计算液体表面 能及其分量的方法理论可行，并且实验设备简单。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进 行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。

Claims (7)

1.一种用于测试液体表面能及其分量的方法，其特征在于，所述方法如下：
1)测量待测液表面张力，由于待测液表面张力数值上与待测液表面能相等，构建公式(6)：
Figure FDA0002826009420000011
式中：γ待测液为待测液的表面能，mJ/m2；
Figure FDA0002826009420000012
为待测液表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure FDA0002826009420000013
为待测液表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure FDA0002826009420000014
为待测液表面能的碱分量，mJ/m2；
2)将表面能的非极性分量不为0，极性分量为0的探针固体标记为探针固体A，分别测试探针固体A表面能的非极性分量和所述待测液与探针固体A的接触角，构建公式(7)：
Figure FDA0002826009420000015
式中：
Figure FDA0002826009420000016
为待测液表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure FDA0002826009420000017
为待测液表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure FDA0002826009420000018
为待测液表面能的碱分量，mJ/m2；
θ1为待测液与探针固A的接触角；
Figure FDA0002826009420000019
为探针固体A表面能的非极性分量，mJ/m2；
3)将表面能的非极性分量与极性分量均不为0的探针固体标记为探针固体B，分别测试探针固体B表面能的非极性分量、酸分量、碱分量和所述待测液与探针固体B的接触角，构建公式(8)：
Figure FDA00028260094200000110
式中：
Figure FDA00028260094200000111
为待测液表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure FDA00028260094200000112
为待测液表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure FDA00028260094200000113
为待测液表面能的碱分量，mJ/m2；
θ2为待测液与探针固体B的接触角；
Figure FDA00028260094200000114
为探针固体B表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure FDA0002826009420000021
为探针固体B表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure FDA0002826009420000022
为探针固体B表面能的碱分量，mJ/m2；
4)联立方程(6)、(7)和(8)，解该方程组，得出待测液表面能及其分量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，通过吊环法或悬滴法测量待测液表面张力。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述探针固体A为石蜡、聚丙烯树脂或聚乙烯树脂中的一种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述探针固体A表面能的非极性分量按如下方法测试：选择至少一种已知表面能参数的检测液体通过公式(9)计算得出所述探针固体A表面能的非极性分量；
Figure FDA0002826009420000023
式中：
Figure FDA0002826009420000024
为检测液体表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure FDA0002826009420000025
为检测液体表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure FDA0002826009420000026
为检测液体表面能的碱分量，mJ/m2；
θ3为检测液体与探针固体A的接触角；
Figure FDA0002826009420000027
为探针固体A表面能的非极性分量，mJ/m2。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述探针固体B为PVC树脂、PET树脂或玻璃中的一种。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述探针固体B表面能的非极性分量、酸分量、碱分量按如下方法测试：选择三种已知表面能参数的检测液体通过公式(10)计算得出所述探针固体B表面能的非极性分量、酸分量、碱分量；
Figure FDA0002826009420000028
式中：
Figure FDA0002826009420000029
为检测液体表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure FDA00028260094200000210
为检测液体表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure FDA00028260094200000211
为检测液体表面能的碱分量，mJ/m2；
θ4为检测液体与探针固体B的接触角；
Figure FDA0002826009420000031
为探针固体B表面能的非极性分量，mJ/m2；
Figure FDA0002826009420000032
为探针固体B表面能的酸分量，mJ/m2；
Figure FDA0002826009420000033
为探针固体B表面能的碱分量，mJ/m2。
7.如权利要求4或6任一项所述的方法，其特征在于，所述已知表面能参数的检测液体为1-溴代萘、二碘甲烷、乙二醇、甲酰胺或去离子水。
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